A innovação no Sistema de gestão da Bateria - Xerox
Fazer com que as baterias funcionem melhor
Ajay Raghavan: uma nova visão das baterias
"O nosso objetivo em 2012 era desafiar a visão convencional. Eu era um intruso que aparecia com uma ideia diferente."
Ajay Raghavan é cientista do PARC, uma empresa do universo Xerox, um dos principais centros de investigação do mundo. Em 2012, Ajay começou a aplicar os seus conhecimentos especializados em sensores e estruturas inteligentes para melhorar o desempenho das baterias. Os resultados superaram as suas expectativas mais arrojadas - e as dos seus colegas do PARC.
Trata-se de um problema comum do mundo moderno. O nosso telemóvel ou computador portátil informa-nos que tem 10% de carga restante e depois desliga-se de repente quando abrimos uma aplicação pesada. Mas depois de esperar alguns minutos, podemos milagrosamente ligá-lo novamente.
Este é um sinal de que o sistema de gestão da bateria do dispositivo não está a executar corretamente o seu trabalho. Pode ser uma ocorrência aborrecida. Mas as consequências de uma gestão incorreta da bateria vão muito além das inconveniências do dia a dia para os utilizadores de computadores portáteis e telemóveis. Também podem causar acidentes industriais em grande escala e ineficiências que custam ao mundo milhares de milhões de dólares todos os anos.
O que é ainda mais importante é que a inexatidão dos sistemas de gestão de baterias tem impedido a adoção do armazenamento em rede e a transição do mundo de veículos movidos a gás para veículos elétricos.
A corrida para melhorar o desempenho das baterias tem enormes implicações para a saúde do planeta.
É por isso que Ajay Raghavan, um especialista no campo dos sensores e estruturas inteligentes, sentiu uma onda de entusiasmo em 2012 quando teve a ideia de inserir sensores de fibra ótica nas baterias para melhorar os respetivos sistemas de gestão. Quanto mais Ajay refletia sobre a ideia, mais animado se sentia. Acabou por ser o primeiro passo num percurso de inovação muito longo e estimulante.
Esta história relata o engenho de um cientista e da sua equipa. Mas é uma história sobre a coragem, a fé e a perseverança necessárias para capitalizar os momentos de criatividade e transformá-los em inovações que mudam o mundo.
Ajay, como começou o teu interesse pela engenharia?
Bem, pode dizer-se que é de família. O meu pai é engenheiro. Trabalhou na Air India praticamente toda a vida. Tenho alguns tios e outros familiares que também são engenheiros. Foi assim que surgiram as primeiras sementes de interesse. Depois, no ensino secundário, sentia um forte interesse por ciências e matemática em geral. Tinha uma grande curiosidade sobre como as coisas funcionam, desmontava coisas e voltava a montá-las. Também me interessava pelo lado criativo de conceber coisas e torná-las o mais eficientes e atraentes possível.
Licenciei-me em engenharia mecânica pelo Instituto Indiano de Tecnologia de Bombaim. Foi um impulso enorme na minha formação de engenheiro. É provavelmente uma das melhores escolas de engenharia do mundo.
Em que fase começaste a interessar-te por sensores?
Lembro-me de participar num seminário conduzido por um professor de engenharia civil que falou sobre a ideia de incorporar sensores nas pontes para tornar os operadores das pontes permanentemente conscientes do seu estado e condição. Ao contrário de mandar o pessoal de manutenção verificar a ponte, digamos, de seis em seis meses. Ele referiu que seria uma solução aplicável a uma gama mais ampla de estruturas, como aviões e naves espaciais. Os sensores monitorizam continuamente e depois os algoritmos podem processar esses fluxos de estados complexos para perceber como a estrutura está em cada momento.
Este foi o meu primeiro contacto com a ideia de estruturas e sistemas inteligentes. Deixou-me uma forte impressão e decidi aprender mais.
Como é que acabaste por trabalhar na Xerox?
Depois de me licenciar, fui para a Universidade de Michigan, em Ann Arbor, onde fiz um projeto de investigação de cinco anos para o doutoramento financiado pela NASA sobre a aplicação destas ideias às estruturas das aeronaves e das naves espaciais em geral. Mas, na indústria aeroespacial, o prazo normal para a adoção de novas tecnologias é de 15 a 30 anos. Um horizonte tão dilatado não me satisfazia inteiramente. Queria assistir à produção e implementação rápidas das tecnologias em que tivesse trabalhado. Foi então que surgiu uma oportunidade de investigação no PARC.
Durante a minha entrevista, fiz uma breve visita ao laboratório com o principal cientista, o Dr. Peter Kiesel, que estava a trabalhar em algumas ideias iniciais interessantes sobre sensores óticos e compactos de baixo custo. Tinha lido sobre sensores ópticos como uma opção para sistemas e estruturas inteligentes. Apercebi-me imediatamente de potencialidades interessantíssimas para um grande projeto.
Que tipo de tecnologias tinhas em mente?
Bem, integrei a equipa do Dr. Kiesel e explorei algumas possíveis aplicações das tecnologias de sensores óticos de baixo custo. Houve algumas propostas falhadas pelo caminho. Depois descobrimos que a ARPA-E [a Agência de Projetos de Investigação Avançados - Energia é uma agência do Departamento de Energia que financia projetos de alto risco com altas recompensas] estava interessada em possibilidades de avaliação de condições para sistemas de gestão de baterias em veículos elétricos, armazenamento em rede e outras aplicações avançadas.
Eu já tinha pensado de passagem sobre a possibilidade de colocar sensores em células de bateria, mas, naquele momento, comecei a considerá-la seriamente. Dei então a entender subtilmente que a incorporação de um sensor na bateria talvez fosse uma boa ideia.
Podes explicar o que é um sistema de gestão de baterias?
Um sistema de gestão de baterias monitoriza a saúde e o estado das baterias usando parâmetros como tensão, corrente e temperatura. Quanto melhor for o SGB, mais é capaz de proteger as baterias, ajudá-las a produzir potência total e prolongar a tempo de vida. Quando os sistemas de gestão de baterias não funcionam corretamente, as consequências, em certos casos, podem ser bastante catastróficas. Veja-se o caso dos problemas das baterias do Boeing 787 que custaram à indústria da aviação mais de mil milhões de dólares recentemente. Temos ainda os casos de incêndio em veículos elétricos e os incidentes de segurança. Tem havido também alguns incêndios em instalações de baterias de armazenamento em rede. Gastam-se literalmente milhares de milhões de dólares todos os anos para tentar melhorar a tecnologia das baterias. É uma área muito importante na investigação energética.
O que impede que os sistemas de gestão de baterias funcionem corretamente?
Bem, a tensão, a corrente e a temperatura são os parâmetros elétricos que são monitorizados do exterior das células, o que realmente não transmite informação contínua suficiente sobre o estado e a saúde das baterias. Por essa razão, as pessoas são normalmente muito conservadoras na forma como concebem as baterias. E são, em regra, extremamente cuidadosas com a utilização que lhes dão - a capacidade total das baterias raramente é usada.
Por isso, é um problema quando os computadores portáteis e os telemóveis se desligam ao abrir uma aplicação pesada. Mas quando se trata de veículos elétricos ou do armazenamento em rede este problema é muito maior, porque as cargas e os condicionalismos são muito mais agressivos.
Todas as pessoas no setor das baterias pensam que devia haver uma melhor forma de gerir baterias. Mas ninguém soube lidar de facto com o problema, por incapacidade de abandonar a ideia convencional de que temos três parâmetros que podemos monitorizar do exterior das células. O nosso objetivo em 2012 era desafiar essa visão convencional. Pelo meu lado, apercebi-me de oportunidade de ouro para usar os nossos sensores de fibra ótica dentro das células das baterias.
Como é que as pessoas reagiram à ideia?
Não posso dizer que tenha sido uma vitória garantida. Houve interesse entre colegas e pessoas no setor de baterias, mas muita hesitação também. Para ser honesto, na investigação sobre baterias, há uma longa lista de pessoas que tiveram ideias loucas que não deram em nada. Muitas pessoas tentaram diferentes opções para incorporar um sensor dentro de uma célula, mas não deram em nada. O interior de uma bateria é um ambiente hostil para os sensores. Ninguém tinha realmente experimentado sensores de fibra ótica e eu era um intruso que aparecia com uma ideia diferente.
Consegui convencer toda a gente de que devíamos apresentar, pelo menos, um documento conceptual de dez páginas à ARPA-E para tentar obter financiamento. Propusemos essa ideia inicial muito básica de incorporar sensores de fibra ótica e usar uma versão de leitura de baixo custo, ligando-a aos algoritmos inteligentes que podem usar esses dados brutos para inferir o que acontece dentro das células das baterias.
Apresentámos esse documento conceptual e recebemos algum encorajamento da ARPA-E, bem como uma sugestão subtil de parceria com um fabricante de baterias. Seguiu-se uma janela de dois meses para enviar uma proposta completa. Acho que conversamos com três fabricantes de baterias diferentes nesse período. A resposta foi um misto muito interessante de entusiasmo e medo. Um importante fabricante de baterias para veículos elétricos teve umas cinco conversas connosco. Em todas elas, disseram-nos que o projeto era tão intrigante e empolgante que temiam os riscos. O tempo passou e estávamos a dez dias apenas do prazo para a apresentação da proposta. A nível interno, no PARC, decidimos que, se não conseguíssemos a parceria com um fabricante de baterias, não avançaríamos com a proposta.
Foi até ao cair do pano. Nesse momento, um dos fabricantes de baterias com quem andávamos em negociações, a LG Chem Power, finalmente decidiu alinhar. Isto passou-se dez dias antes do prazo limite. Para abreviar a história, não pregámos olho nos dez dias seguintes para nos certificarmos de que apresentávamos uma proposta suficientemente decente. E conseguimos à justa!
Meses mais tarde, quando a ARPA-E anunciou finalmente a atribuição de financiamento, ficámos todos espantados. Recebemos 4 milhões de dólares para um projeto de três anos, o que representou pelo menos um milhão de dólares mais do que as verbas concedidas a outros candidatos. Praticamente todos no PARC ficaram estarrecidos.
Sabíamos que havia muitos riscos técnicos associados à proposta e, portanto, os próximos três anos iam ser realmente interessantes em muitas frentes diferentes. Recorde-se que, em 2012, os veículos elétricos eram um mercado incipiente.
À primeira vista, a ideia parece destinada ao sucesso; mas então porque é que era considerada tão arriscada?
Porque era arriscada. Há três coisas que temos de garantir neste processo: Primeiro: não estamos a afetar negativamente o desempenho da bateria, seja em termos da capacidade de carga que ela pode suportar ou da rapidez ou lentidão com que se pode descarregar um ciclo com o sensor dentro da célula. Segundo: não estamos a afetar a integridade do selo. Terceiro: depois de tanta luta, estamos de facto a receber um sinal que justifica todo o esforço que fizemos para colocar o sensor lá dentro?
Posso dizer-te que devemos ter passado por dez iterações diferentes com a LG, em que havia sempre uma coisa ou outra que falhava pelo caminho. Sempre que passávamos por uma iteração, era penoso porque a equipa da LG que nos estava a ajudar estava localizada na Coreia do Sul. Sempre que precisávamos de lhes enviar sensores, eles tinham de colocá-los nas células e, sendo uma célula completamente nova, há um período de ativação de um mês antes de a célula estar pronta para ser submetida a um ciclo. Depois tinham de voltar a enviar-nos os sensores.
Alguma vez sentiste que não ias conseguir?
Não nego que passei dias deprimido em que pensava: "Meu Deus, este projeto vai terminar no próximo mês." Mas a ARPA-E, a LG Chem e a equipa de gestão do PARC continuaram a apoiar-nos. Nunca vacilaram.
Que sucesso teve o projeto SENSOR?
No início deste projeto, todas as pessoas com quem falávamos no setor concordavam que, se conseguíssemos atingir uma precisão de medição da ordem dos 2,5%, já seria impressionante. Para pôr isso em perspetiva, o estado da arte é de 5% ou pior. Ninguém na indústria dos veículos elétricos vai admitir abertamente que os seus sistemas são maus, mas em temperaturas baixas a precisão provavelmente não é melhor do que 10%. Os algoritmos iniciais que desenvolvemos mostraram que podemos obter uma precisão de 2,5% ou melhor do estado da célula numa vasta gama de condições e cenários.
A nossa visão é que esta tecnologia seja adotada nos veículos elétricos; depois sabe-se lá até onde pode chegar. Já mostramos que podemos de facto reduzir o custo e o tamanho das leituras óticas. Muitos dos sistemas de leitura ótica que obtemos atualmente no mercado custam entre 15 000 e 35 000 dólares, o que equivale ao custo da própria bateria de um veículo elétrico. Não são adequados para automóveis; no fundo destinam-se apenas a ser instrumentos de laboratório. Mas com a nossa tecnologia de leitura de sinais de fibra ótica, podemos reduzi-la para o tamanho de um smartphone e baixar o custo para algumas centenas de dólares. Não posso deixar de ter razões para me sentir otimista e acreditar que a solução pode ser implementada em veículos elétricos.
Qual é o próximo passo no projeto SENSOR?
A General Motors está a ensaiar a tecnologia dos sensores internamente no seu laboratório de baterias em Michigan. É o melhor laboratório de baterias do mundo - quase 8000 metros quadrados dedicados exclusivamente a ensaios. Estão a realizar um conjunto muito mais exaustivo de cenários de teste que nós não podemos simplesmente fazer aqui. O tempo dirá se sobrevivemos à prova de fogo da comercialização. Mas devo dizer que, mesmo que a certo ponto falhemos, e queira Deus que não, há um uso sério para esta tecnologia como uma ferramenta de avaliação em laboratórios e instalações em todo o mundo. Isso só por si já seria um enorme sucesso. Precisamos de trabalhar com a nossa equipa comercial para analisar outras formas de implementação.
Qual foi a reação a este projeto no PARC?
Sem dúvida que preparou o terreno para muitos mais projetos ARPA-E no PARC. Quando apresentámos a nossa proposta à ARPA-E, não havia mais nenhum projeto ARPA-E, apesar de várias tentativas anteriores. Hoje temos oito no PARC. Da perspetiva da ARPA-E, somos o maior beneficiário de financiamentos do setor privado. É claro que isso não se deve só ao trabalho da minha equipa: houve vários outros investigadores brilhantes, gestores, pessoal de apoio e grandes organizações parceiras do PARC que trabalharam em conjunto para que isto acontecesse. Mas sinto que demos o nosso contributo.